一種低密度高性能復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種低密度高性能復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)及其制備方法，具體地，涉及一種低密度、超輕質(zhì)、強(qiáng)度、剛度及功能性可設(shè)計(jì)的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著深空探測技術(shù)的發(fā)展，航天器運(yùn)行環(huán)境溫度范圍越來越大，對平臺結(jié)構(gòu)減重的要求越來越高，其中復(fù)合材料件在空間環(huán)境中型面精度的穩(wěn)定性和可靠性以及結(jié)構(gòu)功能一體化是發(fā)展的重要方向。
[0003]復(fù)合材料蜂窩夾層材料以金屬板或復(fù)合材料板為蒙皮，現(xiàn)主要以金屬鋁蜂窩、芳綸蜂窩為芯層結(jié)構(gòu)。主要用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板、天線反射面、透波雷達(dá)罩等。
[0004]其中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板要求高導(dǎo)熱、型面精度穩(wěn)定;天線反射面一般為雙曲面，要求型面精度高，在空間環(huán)境中尺寸穩(wěn)定性好。
[0005]鋁蜂窩導(dǎo)熱性能好，但熱膨脹系數(shù)大，與復(fù)合材料蒙皮板的熱膨脹系數(shù)差異大，二者匹配容易造成蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，在高精度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中熱變形量大，型面精度變化大，不能滿足高精度高穩(wěn)定的精度要求。芳綸蜂窩芯材熱膨脹系數(shù)小，但導(dǎo)熱性能差，且空間環(huán)境中真空放氣率高，不能滿足空間環(huán)境應(yīng)用需求。兩種芯材均為成型或拉伸成板材后加工成需要的形狀，加工難度大，可達(dá)到的型面精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種低密度高性能復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)及其制備方法，將纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料桿件通過膠接或物理固定的方式拼接成夾芯結(jié)構(gòu)，使芯材在力學(xué)性能、濕熱性能具有可設(shè)計(jì)性，且具有復(fù)雜型面的可成型性。實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定、復(fù)雜結(jié)構(gòu)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制造。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供了一種低密度高性能復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括夾芯結(jié)構(gòu)、設(shè)置于夾芯結(jié)構(gòu)上底面的上蒙皮層和設(shè)置于夾芯結(jié)構(gòu)下底面的下蒙皮層;所述夾芯結(jié)構(gòu)由多個(gè)桿件并列排布而成;所述桿件由纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料構(gòu)成。
[0009]優(yōu)選地，所述桿件截面為圓形截面、多邊形截面、異形截面中的一種或多種，桿件內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)。
[0010]優(yōu)選地，所述纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的纖維包括碳纖維、玻璃纖維、石英纖維、kevlar纖維、ΡΒ0中的一種或多種;樹脂包括熱固性樹脂、熱塑性樹脂中的一種或多種。
[0011]優(yōu)選地，所述樹脂包括環(huán)氧樹脂、氰酸酯樹脂、PEEK、PSF中的一種或多種。
[0012]優(yōu)選的，所述纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制成的桿件粘結(jié)成低密度高性能復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能、濕熱膨脹性能可設(shè)計(jì)，易于成型，可形成各種復(fù)雜曲面形狀，滿足各種機(jī)構(gòu)高性能夾層結(jié)構(gòu)的需求。
[0013]優(yōu)選地，所述桿件高度為0.1mm?1000mm;桿件壁厚為0.01mm?4mm;桿件為圓形截面時(shí)直徑1.0mm?150_，桿件為多邊形截面時(shí)邊長為0.5mm?20mm。桿件高度由產(chǎn)品厚度決定，桿件壁厚、直徑(邊長)根據(jù)制品密度、抗彎強(qiáng)度和型面負(fù)責(zé)程度計(jì)算確定。
[0014]優(yōu)選地，所述桿件和桿件之間通過膠接或物理方法中的一種或多種方式連接，桿件與桿件之間的間隙或桿件內(nèi)部還可填充輕質(zhì)泡沫材料或燒蝕材料。在保證夾層結(jié)構(gòu)低密度的前提下提高其強(qiáng)度，固定桿件間的相互位置。
[0015]優(yōu)選地，所述夾芯結(jié)構(gòu)上底面與上蒙皮層、下底面與下蒙皮層均各自通過膠膜或樹脂固化粘結(jié)。
[0016]優(yōu)選地，所述夾芯結(jié)構(gòu)的密度為5kg/m3?1801^/1113，熱膨脹系數(shù)為0?10—5，濕膨脹系數(shù)為0?10—3，強(qiáng)度、模量可根據(jù)不同材料的鋪層方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0017]本發(fā)明還提供了一種低密度高性能復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0018]A、根據(jù)復(fù)合材料設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)力學(xué)、濕熱及功能性能滿足需求的樹脂基和增強(qiáng)材料以及鋪層方式，桿件芯層的鋪層方式確定了芯層的力學(xué)性能(如彎曲、剪切)、熱膨脹性能及導(dǎo)熱性能；
[0019]B、通過纏繞鋪層或卷制鋪層、再固化成型纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，形成長桿件；
[0020]C、根據(jù)型面需求加工成需要的桿件長度后，將桿件沿豎直方向放置在下蒙皮上，緊密排列，再蓋上上蒙皮，通過膠膜將上下蒙皮與桿件膠接，常溫固化;或
[0021]將下蒙皮預(yù)浸料先鋪放在模具上，再將加工好的桿件沿豎直方向緊密排列在下蒙皮上，再在桿件上底面鋪放上蒙皮預(yù)浸料，真空袋固化；
[0022]即得低密度高性能復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。
[0023]優(yōu)選地，步驟B中，所述纏繞或卷制鋪層具體為將兩層或更多層纖維預(yù)浸料分別按照一定的方向卷在金屬模具上。該鋪層可使桿件力學(xué)性能達(dá)到準(zhǔn)各項(xiàng)同性，且沿厚度方向熱導(dǎo)率較高。
[0024]桿件的鋪層角度可以設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)，可以對夾芯結(jié)構(gòu)的密度、熱膨脹系數(shù)、濕膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、模量等進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0025]優(yōu)選地，步驟C中，所述常溫固化時(shí)間為1-24小時(shí);真空袋固化時(shí)間為1-24小時(shí)，溫度為 20-200°C。
[0026]優(yōu)選地，桿件高度加工至30mm，桿件截面形狀可以是圓形，桿件外直徑5_，桿件壁厚為 0.06mm ?4mm。
[0027]在上、下蒙皮間放置桿件后固化成型，研制出與蒙皮型面一致的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。
[0028]本發(fā)明芯層可以為各種型面:包括圓形、六邊形、矩形等，桿件由單向纖維進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，即由特殊的鋪層方式構(gòu)成，其成型方法為纏繞、卷制或連續(xù)成型。
[0029]本發(fā)明上、下蒙皮可分別成型后與夾芯層通過膠膜復(fù)合，也可以用預(yù)浸料與芯層共固化成型，這樣可以可以確保上、下蒙皮與芯層型面一致，尤其適用于復(fù)雜型面(如雙曲面)復(fù)合材料構(gòu)件。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0031 ] 1、夾芯材料性能與蒙皮更匹配:夾芯材料為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料時(shí)，與蒙皮材料的濕熱膨脹性能一致，不會產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，性能和尺寸精度更穩(wěn)定；
[0032]2、芯層材料性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng):可根據(jù)使用需求，對芯層材料的力學(xué)性能、濕熱性能、導(dǎo)熱率、密度以及電性能等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最優(yōu)化；
[0033]3、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面制造:該發(fā)明中通過短桿在上、下蒙皮間直接實(shí)現(xiàn)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型，桿件可沿復(fù)雜曲面放置，實(shí)現(xiàn)與蒙皮的貼合，確保夾層結(jié)構(gòu)的型面精度。
【附圖說明】
[0034]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0035]圖1為低密度高性能復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0036]圖2為低密度高性能復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]其中，1為上蒙皮層;2為夾芯結(jié)構(gòu);3為下蒙皮層。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明